【中2理科】電流と磁界のまとめとポイント

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中学2年理科。今回から「電流と磁界」について学習します。電流が流れることで発生する磁界の特徴をマスターしていきましょう。

磁界とは?

小学生の時に学習した、磁石が鉄などの物質を引きつける力を「磁力」といいました。この磁力がはたらく空間を「磁界」といいます。磁界の向きは方位磁針で調べることができ、方位磁針のN極がさす向きが磁界の向きになります。

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磁力線

磁石と磁界

磁界の向きに沿ってかいた線を「磁力線」といいます。磁力線は磁石のN極から出てS極へ入ります。したがって、磁力線の矢印の向きもN極からS極に向かいます。磁力線の間隔がせまいところほど磁力が強く、間隔が広いところほど磁力が弱いことを表しています。

磁界のポイント❶磁界の向きは、方位磁針のN極がさす向き。
❷磁界の向きは磁石のN極からS極。
❸磁界の向きは磁力線の矢印の向き。

電流のまわりの磁界

磁石の磁界と同じように、電流が流れると、そのまわりに磁界ができます。磁界の強さを強くするには、導線やコイルに流れる電流を大きくする方法などがあります。まずは次の2つの磁界を理解しましょう。

導線のまわりの磁界

導線に電流を流すと、そのまわりに同心円状の磁界が発生します。導線に近いほど、磁力線の間隔がせまく、磁力が強くなります。流れる電流の向きを変えると、できる磁界の向きは反対になります。

電流と磁界

導線のまわりの磁界の向きがどちら向きかを調べるには、右ねじの法則や、右手でつかむ方法がありますが、ペンを使って磁界の向きを判定する方法をレクシャーします。次の手順で行ってください。

  1. ペン先を電流の流れる向きにあわせる。
  2. ペンの芯を交換するときと同じようにペンを回し分解する。
  3. 分解できる向きが電流のまわりの磁界の向きになります。

コイルのまわりの磁界

導線を何回も巻いたものコイルといいます。このコイルに電流を流すと、上の図のような磁界ができます。まるで、コイルが棒磁石になったかのような磁界ができます。

このコイルの磁界の向きを調べるには、右手でコイルを掴むことによって、磁界の向きがわかります。次の手順で磁界の向きを調べます。

  1. コイルが巻いてある部分に流れる電流の向きと、親指以外の4本の指を合わせます。
  2. 4本の指の付け根から指先に電流が流れるように向きを合わせコイルを握ります。
  3. 残りの親指を立てます。親指の向きが磁界の向きになります。
  4. あとは、棒磁石と同じような磁界ができることを覚えておきましょう。

コイルのまわりの磁界を強くする方法

コイルのまわりの磁界を強くする方法として次の3つを覚えておきましょう。

  • コイルに流れる電流を大きくする。
  • コイルの巻き数を増やす。
  • コイルの中に鉄心を入れる。

コイルの中に鉄心を入れたものを、特に「電磁石」といいます。電磁石は様々なものに使われ、私たちの生活に役立っています。

電流が磁界から受ける力

次は、磁石の磁界の中に電流を流すと、どのような現象が起こるのかを見ていきます。

磁石の磁界の中に電流を流すと、磁石の磁界と電流が流れている導線のまわりの磁界が、強め合ったり、弱め合ってりして電流(導線)が力を受け動きます。

電流が磁界から受ける力

上の図のように、U字型磁石の間に電流を流すと、磁石の手前側で磁界を弱め合い、奥の方で磁界を弱め合います。このときできる磁界は次のようになりましたね。

  • 磁石の磁界はN極からS極
  • 導線のまわりの磁界はペンを分解する向き

磁石の手前側では、U字型磁石の磁界と、導線のまわりの磁界が逆向きになり磁界を弱め合います。磁石の奥側では、U字型磁石の磁界と導線のまわりの磁界が同じ向きになり磁界を強め合います。

その結果、電流(導線)は磁界が強い方から弱い方に押されるような力を受け、導線が手前の方に動きます。

導線を流れる電流の向きに対しても、磁石の磁界の向きに対しても垂直な向きに力を受けます。

フレミングの左手

電流(導線)が磁界の中で受ける力は、磁石の磁界の向きと電流(導線)のまわりの磁界の向きで考えますが、フレミングの左手を使うと簡単に判断することができます。左手の中指と人差し指、親指を下の図のように90度に曲げて使います。

フレミングの左手

  • 中指…電流の向き
    導線を流れる電流の向きにあわせる
  • 人差し指…磁石の磁界の向き
    U字型磁石の磁界の向きにあわせる
  • 親指…力を受けて導線が動く向き
    親指が導線が動く向きになります

力の大きさを大きくするには

このとき、電流(導線)が受ける力を大きくするには次のような方法があります。

  1. 流れる電流の大きさを大きくする。
  2. 磁石の磁界を強くする(磁石を強力な磁力のものに変える)。

この他に、回路に抵抗をつなげてある場合は、抵抗が小さなものに変えるという方法も入試でよく聞かれます。

力の向きを逆にするには

電流(導線)が受ける力の向きを逆にし、導線が動く向きを逆にするには次のような方法があります。

  1. U字型磁石の極を逆にする。
  2. 電流の向きを逆にする。

モーター(電動機)

この電流が磁界から受ける力を利用すると、電気エネルギーを運動エネルギーに変換できるモーター(電動機)をつくることができます。モーターは、洗濯機や扇風機、電車などに利用されている装置です。

モーター

整流子は、180℃コイルが力を受けて回転するごとに、コイルに流れる電流の向きを逆にしてくれる部品です。この整流子のおかげで、電流の流れる向きが一定方向になり、コイルが同じ向きに回転し続けてくれます。

電流と磁界の確認問題

  1. 磁力がはたらく空間を何というか。
  2. 1を表す線を何というか。
  3. 2の線の間隔がせまいところほど、磁力はどうなるか。
  4. 1の向きはN極とS極のどちらからどちら向きか。
  5. 1の向きは方位磁針の何極のさす向きと同じになるか。
  6. 導線に電流を流すと、導線のまわりにどんな形の磁界ができるか。
  7. コイルに電流を流すと、コイルの周りに磁界ができるが、磁界を強くする方法を3つ答えよ。
  8. 磁界の中に電流を流すと、電流は磁界から何を受けるか。
  9. 電流が磁界から受ける力は、電流と磁界の向きに対してどのような向きであるか。
  10. 電流が磁界から受ける力を大きくする方法を2つ答えよ。
  11. 電流が磁界から受ける力の向きを逆にする方法を2つ答えよ。
  12. 電流が磁界から受ける力を利用した装置で、電気エネルギーを運動エネルギーに変える装置を何というか。

確認問題解答

  1. 磁界
  2. 磁力線
  3. 強くなる
  4. N極からS極
  5. N極
  6. 同心円状
  7. コイルに流れる電流を大きくする。
    コイルの巻き数を増やす。
    コイルの中に鉄心を入れる。
  8. 垂直な向き
  9. 流れる電流の大きさを大きくする。
    磁石の磁界を強くする(磁石を強力な磁力のものに変える)。
  10. U字型磁石の極を逆にする。
    電流の向きを逆にする。
  11. モーター(電動機)

【練習問題❶】電流と磁界

問題下の図1のように、電源装置と電熱線、スイッチ、コイル、電流計、電圧計を接続した装置をつくった。この装置に電圧をかけると、電圧計が6.0V、電流計が0.5Aを示した。コイルの抵抗は無視できるのもとして、次の各問いに答えなさい。

電流と磁界

(1)この装置に接続されている電熱線の抵抗は何Ωか。

(2)コイルのまわりに置いた方位磁針A~Cは最初北の方角を示していた。このあと電流がコイルに流れると、方位磁針A~Cは、それぞれ、図2のア~エのどれになるか。記号で答えなさい。

(3)この実験のあと、電熱線を取り外し、実験で使った電熱線と同じ電熱線を並列に2つ接続して、同じ大きさの電圧をかけた。このときの方位磁針の振れ方は、最初のときと比べてどうなるか。

【解答・解説❶】電流と磁界

(1)12Ω

抵抗は電圧V÷電流Aで求めることができます。
電熱線には6.0Vの電圧がかかっており、0.5Aの電流が流れているので、
6.0V÷0.5A=12Ω
となります。

(2)磁針A: 磁針B: 磁針C:

コイルに電流が流れると、まわりには磁石と同じような磁界が発生します。図の状態で電流が流れると、コイルの南側がN極となるように磁界ができます。したがって、方位磁針AとCは北、中心にある方位磁針Bは南を指します。

(3)大きくなる

コイルに流れる電流が大きくなると、方位磁針の振れ方が大きくなります。コイルに流れる電流を大きくするには、回路の抵抗を小さくすればいいです。並列に抵抗を接続すれば、全体の抵抗が小さくなり、回路に大きな電流が流れるようになります。

【練習問題❷】電流が磁界から受ける力

問題図1のような装置を用いて、銅線を流れる電流が磁界の中で受ける力を調べる実験を行った。図2は、図1でスイッチを入れたときのU字形磁石と銅線の部分を拡大したものである。次の各問の答を、解答欄に記入せよ。ただし、電熱線以外の抵抗は考えないものとし、電源装置の電圧の大きさは一定とする。

電流が磁界から受ける力

(1)図2で、U字形磁石の磁界の向きと、銅線を流れる電流がつくる磁界の向きの正しい組み合わせを、次の1~4から1つ選び、番号で答えよ。
1 aとc  2 aとd  3 bとc  4 bとd

(2)図1で、電熱線A(10Ω)に3Vの電圧がかかっているとき、電流計は何mAを示しているか。

(3)図1で、電流の向きとU字形磁石の極の位置を両方とも逆にしてスイッチを入れると、銅線の動く向きは、図2と比べてどうなるか。簡潔に書け。

(4)図1の状態で、電熱線A(10Ω)と電熱線B(20Ω)のつなぎ方だけをいろいろと変えてスイッチを入れると、銅線の動く大きさに違いがあった。次の1~4のうち、銅線が最も大きく動いたものを1つ選び、番号で答えよ。
1 電熱線Aだけをつなぐ。  2 電熱線Aと電熱線Bを直列につなぐ。
3 電熱線Bだけをつなぐ。  4 電熱線Aと電熱線Bを並列につなぐ。

【解答・解説❷】電流が磁界から受ける力

(1)

磁石の磁界の向きはN極からS極になります。したがって、図2のU字型磁石の磁界の向きはaになります。また、導線を流れる電流のまわりにも同心円状の磁界ができます。電流の進む向きに対して右回り(時計回り)になります。したがって、図2の電流のまわりの磁界はcになります。

(2)300mA

電圧が3V、抵抗が10Ωなので、流れる電流は3V÷10Ω=0.3Aになります。1A=1000mAなので、0.3A=300mAとなります。

(3)変わらない。

電流の向きを逆にすると、電流のまわりの磁界も逆向きになるので、力は逆向きにはたらきます。磁石の極を逆にしても、磁石の磁界の向きが逆になるので、力は逆向きにはたらきます。電流の向きと磁石の極を両方逆にすると、逆の逆で元と同じ方向に力を受けることになります。

(4)

抵抗を直列に接続した場合は、全体の抵抗は各抵抗の和となり、抵抗が大きくなります。並列に接続した場合は、全体の抵抗は各抵抗よりも小さくなり、回路に大きな電流が流れます。したがって、並列に接続した4が答えになります。

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